劳拉·佩特里奇，机器人和机器学习博士生 – 采访系列

劳拉目前在Patrick Pilarski博士和Matthew E. Taylor博士的指导下攻读计算机科学博士学位。她于2019年获得阿尔伯塔大学计算机科学荣誉学士学位，并于2022年获得该校计算机科学硕士学位。她的研究兴趣包括强化学习、人机交互、生物机电一体化和辅助机器人。她从与Pierre Lemelin博士合作的解剖学研究中获得灵感，希望开发机器人操作控制方法，提高这些系统在现实环境中的功能性、可用性、可靠性和安全性。

我们在2023年度Upper Bound人工智能会议期间进行了采访。会议在阿尔伯塔省埃德蒙顿举行，由Amii（阿尔伯塔机器智能研究所）主办。

最初是什么吸引您学习计算机科学？

我重返校园时，最初想成为医生。工作与生活的平衡对我很重要，因为我希望有很多时间陪伴家人。我一直想帮助别人，在大学一年级选修计算机科学课后，发现它是解决问题的强大工具。我喜欢上了解决问题，并决定进入辅助技术领域，让这种能力在解决问题的同时真正帮助人们。

您如何发现辅助技术是自己的热情所在？

本科时我选修了机器人课程，使用Lego Mindstorm套件学习机电一体化和机器人基础。那时一切都联系起来了：操作这些系统很有趣，写完程序后可以立即看到结果。于是，把对机器人系统的热爱与帮助他人的愿望结合起来就顺理成章了。辅助技术正好符合这一点。

能否为读者解释一下机电一体化？

可以把它理解为机器人领域中那些包含硬件系统、能够通过控制硬件来改变环境的技术。

您曾研究过这项技术的哪些应用场景？

目前，我在Patrick Pilarski的BLINC实验室（Bionic Limbs for Improved Natural Control，旨在改善自然控制的仿生肢体）工作，主要研究上肢假肢。我们拥有能够通过肌电信号控制的智能机器人设备。核心应用问题是，如何控制这些连接在人体上的假肢，让它们执行使用者想要的动作。

您专门从事这项研究多久了？

我在今年1月刚开始博士研究。硕士期间，我在阿尔伯塔大学机器人与计算机视觉研究组，利用机械臂研究机器人操作。

我现在才刚刚进入假肢研究领域。

目前这项技术有哪些安全方面的考虑？

对于这些智能假肢，我们始终把安全放在首位。因为设备连接在人体上，安全总是我们首先考虑的问题。最终决定权不在设备，而始终完全掌握在人手中。系统可以向使用者提出建议，比如“我认为你想这样做”，但实际发生什么始终由使用者最终控制。因此，我们一直关注使用这些设备的人的安全。

在之前的一次采访中，Patrick提到，通常是大脑学习适应设备，而这里设备会利用机器学习适应大脑。您对此怎么看？

是的。我们希望构建能在这些设备上运行的持续学习系统。关键在于映射用户信号，在我们的研究中就是肌电（EMG）信号。表面肌电的采集方式，是在使用者残余肌肉的表面放置电极。拿到这些输入信号后应该怎么做？我们希望把它们映射成机器人动作，例如张开手或合上手。首先必须确定如何解决映射问题，这就是机器学习发挥作用的地方。

我们有模式识别系统，可以根据特定的肌肉激活预测正在发生什么。我们希望系统随时间不断学习、适应。想想自己的肌肉：去健身房锻炼后，肌肉形状会改变。难道因此就必须完全重新训练一个机器学习模型吗？不。我们希望设备及其机器学习组件，能够随着使用者身体或意图的变化持续适应。

您认为这些系统还需要多久才能进入现实应用？

我希望在博士期间实现。我的目标就是解决上肢假肢的控制问题。

那会非常棒。如果展望未来10年或20年，您对辅助机器人有什么愿景？

我希望，想在日常生活中使用假肢的人，能够像我们使用自己的手臂一样使用它。可靠、直观、易用，这就是我的期待。

您是否设想一个个性化的未来，让体型较小的人使用较小的假肢？还是大家的假肢都一样？

当然应该个性化。对于如此贴身的设备，使用者希望它像身体的延伸、成为自己的一部分。这就涉及个性化医疗。至少在我看来，假肢的形状和适配都需要针对使用者定制。这样的做法已经存在。例如，在埃德蒙顿的Glenrose Rehabilitation Hospital配装新假肢时，医护人员会为残肢建立三维模型，再为使用者定制假肢的贴合度。我们已经看到这种做法，智能设备只会更加个性化。

所以，可能会为使用者定制3D打印的假肢。

是的，定制3D打印、定制贴合度，以及个性化的控制系统。

用户需要多久才能学会使用这样的系统？

我们的目标是先训练一个更通用的机器学习模型，然后通过5到10分钟的训练，将其调整为适合特定使用者的模型。这是我们的目标。

实现这个目标后，您接下来想研究什么？

我的研究有很大一部分是与阿尔伯塔大学解剖学部门合作。我对人类如何操作周围的世界非常着迷，尤其是上肢相关的一切。我们的手臂和双手非常神奇。因此，我希望把全部精力集中在上肢假肢上，真正让这些设备在现实生活中为人们所用。

与下肢相比，上肢研究在哪些方面更具挑战？

下肢动作具有较强的重复性。想想行走时的步态，这相对是更容易解决的控制问题。上肢则需要在三维空间中操作物体，自由度多得多。即使闭上眼睛伸手探索，我们仍然能通过双手感知周围的世界。手是非常出色的感觉器官，让我们探索环境。我认为，如果能够通过假肢把这种能力带回医疗应用，将会非常棒。

能否分享您如何从解剖学研究中获得灵感？

过去五年来，我一直与阿尔伯塔大学解剖学部门的Pierre Lemelin博士合作。我希望通过研究人体解剖，准确理解我们如何操作环境中的物体、神经通路是什么、哪些肌肉会被激活，再利用这些知识改善假肢结构。

假肢设计中是否有某些细节，只需略微调整机械结构，就能大幅提高功能？此外，还要改进底层控制系统及其使用方式。如果能准确了解我们想着“张开手”时哪些神经在传递信号，是否就可以利用这些信息预测使用者想让假肢做什么，再让机器人设备执行相应动作？

感谢您接受这次精彩的采访。希望了解更多的读者可以访问以下资源：

• Patrick M. Pilarski博士——Unite.AI采访
• BLINC实验室（Bionic Limbs for Improved Natural Control）
• Upper Bound人工智能会议。
• Amii（阿尔伯塔机器智能研究所）